Введение

Настоящее методическое пособие предназначено для студентов факультета физики, математики и информатики специальности «Нанотехнология» и написано в соответствии с действующей университетской программой. Дисциплина «Физические основы микроэлектроники» посвящена рассмотрению физических основ технологических процессов производства изделий микроэлектроники (создание и перенос литографического изображения, методы поверхностного монтажа и монтажа BGA-компонентов, разделение полупроводниковой пластины на интегральные микросхемы, разварка контактных выводов интегральной микросхемы, а также основы и методы контроля и метрологии).

Методическое пособие включает исследование: процессов изготовления эмульсионных и металлизированных фотошаблонов, перенос изображения с фотошаблонов на подложки; методов поверхностного монтажа электронных компонентов на печатные платы, последующей их отмывкой и рентгенконтролем.

Перед тем как выполнять лабораторные работы, студент должен изучить теоретическую часть работы, познакомиться с экспериментальной установкой, понять суть метода измерений и порядок обработки результатов эксперимента. По каждой работе студент обязан оформить отчёт по установленной форме, в котором следует уделить внимание обработке результатов измерений, представлению графиков изучаемых зависимостей и выводам по выполненной работе.

К выполнению лабораторной работы студент допускается только с разрешения преподавателя после контроля его подготовленности. В процессе выполнения работы каждый студент должен тщательно произвести необходимые измерения, записать их результаты и необходимые для оформления протокола данные. По окончании работы студент должен подписать протокол у преподавателя и получить задание на следующее занятие. Протокол сохраняется студентом и прилагается к отчету по работе.

Перед сдачей отчета преподавателю необходимо подготовить ответы на контрольные вопросы, приведенные в конце описания каждой лабораторной работы. Полностью оформленный отчет предъявляется преподавателю при сдаче зачета по данной лабораторной работе.

Лабораторная работа № 1 технология изготовления эмульсионных стеклянных фотошаблонов методом фотонабора на установке эм559б

Цель работы: изучить технологию изготовления эмульсионных фотошаблонов методом фотонабора на установке ЭМ559Б.

Оборудование и материалы: генератор изображения ЭМ559Б, микроскоп МБС-9, микроскоп МБС-10, проектор Nikon, денситометр ДФЭ-10, кюветы для химической обработки, пинцет с фторопластовыми наконечниками, эмульсионный фотошаблон, проявляющий раствор, фиксирующий раствор.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Общие свойства фотоматериалов

Фотоматериалы – светочувствительные материалы, предназначенные для получения фотографических изображений. Различают галогеносеребряные фотоматериалы, в которых светочувствительным элементом является галогенид серебра (AgHal), и не серебряные (светочувствительный элемент – соединения железа, хрома, соли диазония и др.

Фотоматериалы для фотошаблонов по обшей классификации фотоматериалов выделяются следующим образом:

• по назначению – микрофильмирование;

• по воспроизведению цвета объекта съемки – черно-белые монохроматические (с однотонным окрашенным изображением);

• по способу применения – негативные, позитивные, обращаемые;

• по виду подложки – на гибкой полимерной основе, на жесткой основе (фотопластинки, чаще всего из стекла);

• по формату – листовые, рулонные;

• по сенситометрическим характеристикам: общая и эффективная светочувствительность, коэффициент контрастности, фотографическая широта, оптическая плотность вуали, максимальная оптическая плотность изображения и др.;

• по структурнорезкостным характеристикам: разрешающая способность, среднеквадратическая гранулярность;

• по физико-механическим свойствам: размерная устойчивость в условиях изменения температуры и влажности, термостойкость, механическая прочность слоев, влагоемкость, скручиваемость.

Основные сенситометрические характеристики фотоматериалов определяют по экспериментальной характеристической кривой (сенситограмме, рисунок 1.1), выражающей зависимость между логарифмом экспозиции lg H и оптической плотностью почернения D, образованного металлическим серебром. Экспозицию Н вычисляют по формуле: Н= Et, где Е-освещенность, t – время экспонирования (выдержка). Оптическая плотность участков фотографического слоя, не подвергавшихся действию света, называется оптической плотностью фотографической вуали D₀. Она не зависит от экспозиции и определяется свойствами самого фотоматериала и условиями его обработки. Принятая в фотографии величина минимальной оптической плотности представляет собой сумму значений оптической плотности вуали и оптической плотности подложки. Наибольшая оптическая плотность почернения (потемнения) фотоматериалов, т.е. плотность в высшей точке характеристической кривой, называют максимальной плотностью D.

Рисунок 1.1 - Характеристическая кривая зависимости оптической плотности от экспазии.

Сенситометрические испытания фотоматериалов проводят в стандартных условиях, при которых важнейшим фактором является цветовая температура источника света – величина, характеризующая спектральный состав излучения источника света. Цветовая температура определяется температурой абсолютно черного тела, при которой его излучение имеет такой же спектральный состав и такое же распределение энергии по спектру, что и излучение данного источника выражается в Кельвинах. В сенситометрических измерениях обычно используют три цветовые температуры: 2850 К - при испытании фотобумаг; 3200 К – для позитивных кинопленок; 6500 К – для негативных фотоматериалов.

Светочувствительность S – способность фотоматериалов регистрировать световое излучение и образовывать в фоточувствительном слое материала почернение (потемнение). Светочувствительность (см²/Дж) рассчитывается как величина, обратно пропорциональная экспозиции: S = 1/Et = 1/Н. Светочувствительность измеряют, как правило, в относительных единицах – числах светочувствительности – S = k/Н, где Н – экспозиция, необходимая для получения определенной оптической плотности потемнения D (критерий светочувствительности); k – коэффициент пропорциональности, имеющий определенное принятое значение для каждого из видов фотоматериалов. Для черно-белых негативных фотоматериалов общего назначения за критерий светочувствительности приняты оптическая плотность D и коэффициент пропорциональности k =V².

Строгого эквивалента между светочувствительностью фотоматериалов и числами светочувствительности не существует; приблизительно, считают, что 1 единица ГОСТ эквивалентна 10⁶ см²/Дж.

Коэффициент контрастности – градиент прямолинейного участка характеристической кривой – характеризует способность фотоматериалов передавать различие яркости объекта съемки по различию оптической плотностей потемнений. Определяется как тангенс угла наклона прямолинейного участка кривой к оси абсцисс: .

Фотографическая широта L определяется как интервал яркостей объектов съемки, передаваемых на изображении с одинаковым коэффициентом контрастности; на характеристической кривой соответствует диапазону логарифмов экспозиций: L = lgH₂ – lgH₁. Интервал экспозиций, ограниченных верхним и нижним пределами потемнений, называют полным интервалом экспозиции L. или полной фотографической широтой.

Разрешающая способность – способность фотоматериала раздельно передавать мелкие детали (участки) объекта фотографирования выражается количеством разрешаемых линий на 1 мм в фотографическом изображении специального тест-объекта (так называемой, резольвометрической миры).

Гранулярность (зернистость) – флуктуация оптической плотности равномерно экспонированного и проявленного фотоматериала; численная оценка зернистой структуры фотографического изображения определяется среднеквадратической гранулярностью.

Серебросодержащие фотопленки могут быть негативными и позитивными. Негатив воспроизводит черным прозрачные места и прозрачным черные места. Позитив воспроизводит черное черным. Диазопленки обычно позитивные. Фотопленки для фотоплоттеров – негативные. Фотопленки для контактной печати могут быть любыми, это зависит от задач репродукции и вида фоторигинала (негатив или позитив). Обычно позитивные фотошаблоны (черные линии – проводники) используются для наружных слоев печатных плат, и негативные (прозрачные линии – проводники) – для внутренних слоев.

Серебросодержащие фотопленки не безразличны к процессам проявления и типам проявителей. Выбор проявителя может сказаться на скорости и глубине проявления, на зернистости и на реализации чувствительности пленки. Поэтому для проявления фотопленки нужно придерживаться рекомендаций в прилагаемой спецификации.

Серебросодержашие и диазопленки отличаются и по свойствам и по физическим процессам обработки, о чем будет сказано дальше. Но визуальная прозрачность, сопротивление к истиранию и явно лучшая размерная стабильность диазопленок делают их незаменимыми для изготовления прецизионных фотошаблонов. Однако, серебросодержащие фотопленки по большему ряду фотографических характеристик лучше для использования в фотоплоттерах, преобразования изображений и большей части фотокопировальных работ.

Серебросодержащие фотоматериалы

Сенситометрические и структурнорезкостные показатели серебросодержащих фотоматериалов зависят в основном от размеров, формы и состава микрокристаллов AgHal, а также условий их химической или спектральной сенсибилизации.

В се галогеносеребряные фотоматериалы состоят из светочувствительных (эмульсионных) и дополнительных (вспомогательных) слоев, нанесенных на подложку (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2

Строение черно-белых негативных и позитивных фотопленок: 1 – защитный слой; 2 – светочувствительный слой; 3 – подслой; 4 – подложка; 5 – противоскручивающий антистатический бесцветный лаковый слой.

Основой всех фотоматериалов является светочувствительный слой толщиной от 3 до 30 мкм, который представляет собой суспензию микрокристаллов AgHal в связующих водных растворах желатина, эфирах целлюлозы, агаре, альбумине и др. Нанесенная на подложку и высушенная фотоэмульсия образует светочувствительный слой фотоматериалов. Концентрация желатина в фотоэмульсиях составляет обычно от 5 до 10% по массе, концентрация AgHal (в пересчете на металлическое серебро) – от 30 до 150 гр Ag на 1 л объема фотоэмульсии. Средние линейные размеры микрокристаллов от 0,01 до 10 мкм, их количество в 1 см³ – 10¹¹…10¹⁶.

Поверхностная концентрация AgHal (в пересчете на серебро) от 0,1 г./м² в малочувствительных фотоматериалах до 5-10 г/м² в высокочувствительных негативных фотоматериалах и до 10-35 г/ м² – в радиографических материалах. В светочувствительном слое фотоматериалов содержится до 40-60% AgHal.

Подложкой для различных фотоматериалов могут служить стеклянные пластинки толщиной от 0,8 до 5 мм (и более), гибкие полимерные пленки из триацетата целлюлозы толщиной от 60 до 220 мкм или полиэтилентерефталата толщиной от 25 до 175 мкм.

Для придания фотоматериалам высоких физико-механических, противоореольных, антистатических и др. свойств на подложку и светочувствительные слои обычно наносят вспомогательные и дополнительные слои: подслой, защитный, противоореольный, противоскручивающий, антистатический, фильтровый, промежуточный, восковый и др. Подслой – вспомогательный слой толщиной 0,5…1 мкм, нанесенный на подложку в целях обеспечения прочного сцепления (адгезии) светочувствительного слоя с подложкой. Подслой для фотопленок содержит коллоидный раствор желатины в воде, органический растворитель, подрастворяющий полимер подложки, и органическую кислоту, стабилизирующую коллоидный раствор желатина. Подслой для фотопластинок содержит, кроме того, жидкое стекло.

Защитный слой представляет собой слой сильно задубленного желатина с добавкой синтетического полимера (например, латекса) толщиной от 0,5 до 1,5 мкм. Он наносится на поверхность эмульсионного слоя фотопленки и предохраняет его от механических повреждений и воздействия окружающей среды.

Для уменьшения ореолов отражения в негативных фотопленках и фотопластинках под светочувствительный слой или на обратную сторону подложки наносят противоореольный лаковый или желатиновый слой, содержащий пленкообразующее вещество и краситель или пигмент (например, сажу), которые обесцвечиваются или вымываются в процессе обработки фотоматериалов, иначе они сделают фотошаблон непрозрачным. Желатиновый противоореольный слой, нанесенный на обратную сторону подложки, служит также и противоскручивающим слоем.

Противоскручивающий слой (контрслой) – лаковый слой из синтетических полимеров, наносимый на обратную сторону подложки для улучшения плоскостности пленки, а в ряде случаев и для придания пленке глянца и улучшения антистатических свойств.

Антистатический слой – вспомогательный слой толщиной от 0,5 до 1 мкм; представляет собой слои полимеров с добавками электролитов, электропроводящих наполнителей (высокодисперсные сажа, графит и др.), ПАВ и другие соединения, способные поглощать из воздуха заряженные частицы, нейтрализующие заряд фотоматериалов или влагу, повышающую его поверхностную проводимость.

Фильтровый слой служит для поглощения нежелательных лучей света, действующих на лежащие под ним светочувствительные слои.

При хранении фотоматериалов наблюдается их старение, заключающееся в уменьшении светочувствительности и увеличении плотности вуали. Каждый вид фотоматериалов характеризуется гарантийным сроком хранения, в течение которого может наблюдаться падение чувствительности и рост вуали, что необходимо учитывать при экспонировании и обработке. Чем выше светочувствительность фотоматериала, тем меньше срок их хранения. Фотоматериалы необходимо хранить в оригинальной заводской упаковке при пониженной температуре, не превышающей 8° С, и относительной влажности от 40 до 60%. Они должны быть защищены от воздействия агрессивных газов, рентгеновского и радиоактивного излучения, механических повреждений. Для длительного хранения черно-белых фотоматериалов рекомендуется температура от 4 до 5 ºС.

Собственная спектральная чувствительность галогенидов серебра имеет максимум на длине волны 545 нм и приемлема только для коротковолнового излучения с длиной волны меньшей 520 нм.

Применение сенсибилизирующих красителей позволяет создать фотоматериалы, чувствительные ко всей видимой и ближней ИК области спектра с длиной волны до 1500 нм. В зависимости от спектральной чувствительности фотоматериалы делят на несенсибилизированные (обычно позитивные и рентгенографические) – чувствительные к синим и более коротким лучам света и жесткому излучению; ортохроматические и изоортохроматические – чувствительные к синим и желто-зеленым лучам; панхроматические и изопанхроматические – чувствительные ко всему видимому спектру; инфрахроматические – чувствительные к синим лучам и ИК излучению (рисунок 1.3).

Поскольку для изготовления фотошаблонов в последнее время используют лазерные фотоплоттеры, спектральную чувствительность фотопленок приспосабливают к излучению соответствующего лазера.

Р исунок 1.3 - Спектральная чувствительность фотоматериалов.

Во время экспозиции кристаллы абсорбируют фотон света, его энергия используется для формирования металлического серебра на светочувствительном центре.

Абсорбция большего количества фотонов приводит к большему восстановлению металлического серебра. Когда число атомов металлического серебра достигнет 4 - 10, кристалл фиксирует латентное (скрытое) изображение - это такое латентное изображение, которое при проявлении восстанавливает металлическое серебро во всем объеме кристалла. Размер экспозиции фотопленки должен быть таким, чтобы достичь оптимальных результатов. Если оригинал – негатив или фотопленка экспонируется на фотоплоттере, большие экспозиции будут прибавлять ширину линии и уменьшать ширину пробельных мест. Наоборот, маленькие экспозиции уменьшат линии и их оптическую плотность.

После экспозиции фотопленка должна быть проявлена. Это четырехступенчатая процедура обычная в фотопроцессах. Для иллюстрации показана последовательность процессов. Экспонированные кристаллы проявляют свое латентное изображение.

Первый процесс называется проявлением (рисунок 1.4). Здесь экспонированные кристаллы гаплоидного серебра преобразуются в металлическое серебро. Скрытое изображение действует как катализатор в реакции восстановления, так что обеспечивается разница между экспонированными и не экспонированными кристаллами. Однажды начавшийся процесс преобразования кристалла заканчивается эффектом с усилением изображения более чем в 10 млн. раз.

Р исунок 1.4

Активация кристаллов AgHal при освещении :

а) частичное восстановление металлического серебра из AgHal;

б) образование скрытого изображения.

Проявление фотопленки должно обеспечить оптимальные результаты. Перепроявление делает линии широкими с расплывчатыми краями. Это также приводит к образованию плотной вуали на пробельных местах. Недопроявление создаст тонкие линии и низкую оптическую плотность изображений. Обычно процесс проявления контролируется предназначенным для этого процессором.

Теперь можно увидеть проявленное изображение, образованное металлическим серебром. Неэкспонированные кристаллы, не активированные светом, не восстановлены до металлического серебра в процессе проявления (рисунок 1.5).

Р исунок 1.5

Проявление скрытого изображения:

а) восстановление металлического серебра в активированных светом кристаллах и отсутствие процессов восстановления в неэкспонированных частицах;

б) восстановление кристаллов в объеме фотоэмульсии при проявлении.

Но это изображение еще не устойчиво. Чтобы сделать изображение устойчивым, фотопленка должна подвергнуться процессу фиксирования, при котором из фотоэмульсии удаляются кристаллы галлоидного серебра (рисунок 1.6). В процессе обработки в фиксирующем растворе тиосульфат аммония превращает эти кристаллы в несколько растворимых солей, которые удаляются из эмульсии. Рисунок из металлического серебра не затрагивается на этой стадии. Фиксирование – некритическая операция. Невозможно передержать фотопленку в фиксирующем растворе. Правда, попадаются пленки, у которых при передержке светлые области приобретают серый оттенок. При недостаточной выдержке или обедненном растворе фиксажа фотопленка при выходе из процессора может демонстрировать молочно-белые оттенки там, где она должна быть чистой.

Р исунок 1.6 - Схема установки

1 - лампа-вспышка; 2 - конденсорная система линз; 3 - щелевая на­борная диафрагма; 4-6 - электродви­гатели управления соответственно ши­риной, длиной щели и углом ее по­ворота; 7 - объектив; 8, 9 - интер-ферометрические датчики перемещений координатного стола по осям х и у; 10 - координатный стол; 11 - сервоэлектродвигатели перемещения коор­динатного стола; 12 - программное устройство; 13 - ЭВМ.

Проясним эту ситуацию. При изготовлении фотошаблона проявление – процесс, при котором начатые при экспозиции химические изменения усиливаются и расширяются. При экспонировании сухого пленочного фоторезиста химический процесс завершается при экспозиции, и после нее не требуется дополнительная обработка для химических превращений. Когда технологи говорят о проявлении фоторезиста, они подразумевают его селективное удаление с заготовки платы. Это аналогично фиксации изображения на серебросодержащих фотоматериалах, когда из эмульсии удаляют неэкспонированное галлоидное серебро.

Итак, в результате операции фиксирования металлическое серебро остается в местах, где оно было экспонировано. Неэкспонированное галлоидное серебро, преобразованное в растворимые соединения, уходит из желатинового слоя в раствор. Поскольку этот процесс диффузионный, для него требуется время.

После проявления и фиксации, фотошаблон должен быть хорошо промыт для удаления побочных химических продуктов. Если они все же останутся, при сушке они проявят себя в виде многочисленных кристаллов, которые могут разрушить желатиновый слой, сделать его недостаточно прозрачным.

Завершающий процесс – сушка, в процессе которой испаряется вода. Очевидно, что желатиновый слой, который начал набухать уже при первом погружении в проявитель, и при увлажнении будет увеличиваться, примерно, на одну десятую своего размера. Полиэфирная основа будет также увеличивать свои размеры при мокрой обработке в результате абсорбции влаги. В результате происходят некоторые изменения размеров фотошаблонов.